j9:存得多放得快损耗低！聊城大学解锁陶瓷电容器新潜能

  手机充电器越做越小，电动车充电慢慢的变快，脉冲功率装备瞬时放电、航空航天电子系统电压稳压——这些场景不能离开一种关键元器件：多层陶瓷电容器。而决定电容器性能的“心脏”，正是其中的电介质陶瓷材料——它就像一个超级“蓄水池”，承担着快速存电、瞬时释能的重任。

  然而，长久以来，储能陶瓷一直遭遇一道技术难关：高耐压性和高极化率难以兼得，想要储存更多电能，能量损耗就会随之升高，追求高储能效率，材料可存储的电能容量又会受到制约。这一“跷跷板”困局，长期阻碍着陶瓷电容器小型化、低能耗的发展进程。

  近期，聊城大学信息功能材料与器件团队在这一领域连续取得突破性进展。四篇发表于《自然通讯》《先进科学》等国际顶级期刊的研究成果，从不同路径同时指向一个目标：让陶瓷电容存得更多、放得更快、损得更小，为国产高性能多层陶瓷电容器换道超车提供全新解决方案。

  储能密度，决定电容器能够储存电能的上限，是衡量电介质陶瓷性能的核心指标。传统陶瓷材料，高极化与高击穿耐压互相制约，很难把“储水蓄水池”的容量和堤坝强度同时做大。

  针对这个难题，聊城大学材料科学与工程学院教授李伟、副教授郝继功与合作者们跳出传统超顺电材料的研发局限，提出多态超顺电工程设计思路，巧妙构建立方－正交－四方三相共存的纳米畴结构，从微观结构源头破解极化与耐压相互制约的行业难题。

  研究团队通过钙离子掺杂改性钛酸钡基陶瓷，在材料内部同时稳定三种不同晶型的超顺电纳米畴。钙离子掺杂让钛酸钡陶瓷内部形成多种晶型共存的结构，相当于在材料内部搭建了许多“活动关节”，让极化转向更省力，大幅度的提高储能上限；同时钙离子使晶格收缩，能带变宽，抑制电荷流失，增强耐压能力。这两方面协同作用，既抬高了“蓄水池”上限，又加固了“坝体”抗压能力。

  聊城大学副教授李朋、教授李伟与合作者还提出了一种“高熵”设计策略，通过调控电介质陶瓷材料的熵值，使陶瓷电容器存储更多电能。

  所谓“高熵”，就是在陶瓷材料中混入多种不同元素，让原子排列足够“混乱”。这种“混乱”带来了独特优势：把材料的电子能带“压扁”，给载流子的移动设置重重障碍，漏电流大幅度降低，材料的耐压能力明显提升；不同元素在烧结过程中扩散速度不同，自然形成类似“鸡蛋”的核壳结构，这种核壳结构就像一道道“防波堤”，能阻止电击穿的不断蔓延，让电介质陶瓷材料能同时实现高击穿电场和高极化率。

  这两种陶瓷材料均展现出亮眼的综合性能：有效储能密度Wrec约为10 J/cm3，储能效率大于85%，且表现出优异的抗疲劳特性和温度稳定性，为实际工况下的长期可靠运行提供了保障。

  电动车充电、脉冲武器、航空航天等尖端领域对瞬时大功率的需求日益迫切，这一切都需要电介质储能电容器在极短时间内释放巨大能量。然而，传统陶瓷电容器的储能密度和放电效率往往此消彼长，难以兼得，成为制约技术进步的瓶颈之一。

  聊城大学付鹏教授、李伟教授、黄海华副教授与合作者们提出“多尺度结构协同调控”策略，对一种具有四方相钨青铜结构的无铅弛豫铁电陶瓷进行了从原子排布到晶粒形貌的系统性优化。该策略不局限于单一尺度的改良，而是在三个层面同步发力。原子尺度上，以铋离子部分替代镧离子，引发氧八面体畸变，打破铁电长程有序，将宏观铁电畴“粉碎”为纳米极性微区，赋予材料弛豫铁电特征，明显降低极化滞后损耗。微观尺度上，铋掺杂细化晶粒并拓宽能带间隙——两者均有利于提升击穿场强，即陶瓷耐受高电压的能力。

  如果说传统电容器放电像拧开水龙头，那么这种新材料就像瞬间炸开的水坝闸门。优化后的陶瓷击穿场强可达1400 kV/cm，放电时间仅10纳秒，功率密度高达254 MW/cm3，综合指标位居同类块体陶瓷前列。

  这项研究刷新了钨青铜体系陶瓷的储能性能纪录的同时，为高性能脉冲功率电容器的设计提供了新的思路和材料选项，有助于满足消费电子快充到新能源电网调频、电动汽车驱动到特种装备脉冲电源对更高储能密度、更快响应速度的电容器需求，为国产高端电介质材料自主创新增添了重要砝码。

  介电陶瓷电容器具备充放电速度快、功率密度突出的特点，但它有个“心结”：储能密度与储能效率难以兼顾，充放电过程存在能量损耗大，这样一些问题阻碍了陶瓷电容器小型化、低能耗的发展进程。

  为攻克这一行业“老大难”问题，聊城大学郝继功副教授、李伟教授与合作者们在储能陶瓷材料上闯出了一条新路。他们用一套“三重协同”的组合拳，融合中熵超顺电设计、微观局域结构畸变调控、板状钛酸铋第二相原位构筑三条技术路径，为介电陶瓷材料设计开辟新方案，让陶瓷材料不仅单位体积存储的电量大幅度的提高，充放电过程中的能量损耗也明显降低，其综合性能达到国际先进水平。

  具体而言，研究人员通过化学调控手段，在钛酸锶基陶瓷材料内部构建大量极性纳米微区，以此增强材料储存和释放电荷的本征能力。与此同时，研究人员在陶瓷基体中原位生成板状第二相物质，如同在材料内部布设微型防护屏障，可以有明显效果地阻断电击穿传导通路，大幅度的提高材料耐受高压的能力，从微观结构层面同时破解容量不够、耐压较差两大痛点。

  实验测试表明，经过改性优化的钛酸锶基陶瓷，储能密度可达10 J/cm3，储能效率高达91 %，电能损耗被降低至不足10 %，突破了高储能与高效率难以兼得的瓶颈。该材料还拥有优异的温度适应性、稳定的充放电表现以及超长循环常规使用的寿命，成功实现储能密度与储能效率的同步跃升。

  同时，该材料体系不含铅等有害元素，从源头上满足绿色电子器件的环保标准，具备良好产业前景，为环保型介电陶瓷的后续研发提供一条新的设计路径。

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